實(shí)時(shí)系統(tǒng)引論

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1、第1講實(shí)時(shí)系統(tǒng)引論主講:黎忠文目錄引言1.1實(shí)時(shí)系統(tǒng)的定義1.2實(shí)時(shí)系統(tǒng)的例子1.3實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特征小結(jié)引言隨著計(jì)算機(jī)變得更小、更快、更可靠和更便宜，其應(yīng)用范圍更寬了。最初制造的計(jì)算機(jī)只是作為方程求解裝置，現(xiàn)在，其影響已經(jīng)拓展到生活的各個(gè)方面，從洗衣機(jī)到空中交通管制。擴(kuò)展最快的一個(gè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域所涉及的各種應(yīng)用，其主要功能不是信息處理，然而需要信息處理以實(shí)現(xiàn)其主要功能。微處理器控制的洗衣機(jī)是這種系統(tǒng)的一個(gè)好例子。這里，基本功能是洗衣機(jī)，然而，為了洗不同種類(lèi)的衣服，要執(zhí)行不同的“洗衣程序”。這種類(lèi)型的計(jì)算機(jī)應(yīng)用通常

2、被稱(chēng)為實(shí)時(shí)應(yīng)用或嵌入應(yīng)用。估計(jì)世界上有99%的處理器是用于嵌入式系統(tǒng)的。這些嵌入式應(yīng)用的編程對(duì)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言提出了特別的要求，因?yàn)樗鼈兺瑐鹘y(tǒng)的信息處理系統(tǒng)有不同的特征。1.1實(shí)時(shí)系統(tǒng)的定義牛津計(jì)算詞典(OxfordDictionaryofComputing)對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)給出下列定義：實(shí)時(shí)系統(tǒng)是指那些產(chǎn)生輸出的時(shí)間至關(guān)重要的系統(tǒng)，這通常是因?yàn)檩斎雽?duì)應(yīng)于外界的某個(gè)運(yùn)動(dòng)，而輸出又必須與同一運(yùn)動(dòng)相關(guān)。自輸入時(shí)刻到輸出時(shí)刻的時(shí)間滯后必須充分小，以達(dá)到可接受的及時(shí)性。PDCS(PredictablyDependableCompu

3、terSystems)工程給出如下定義：實(shí)時(shí)系統(tǒng)是這樣的系統(tǒng)：需要在環(huán)境限定的時(shí)間間隔里對(duì)來(lái)自環(huán)境的激勵(lì)做出反應(yīng)(包括實(shí)際時(shí)間的推移)。1.2實(shí)時(shí)系統(tǒng)的例子上一節(jié)中我們介紹了實(shí)時(shí)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的含義之后，這一節(jié)中介紹使用它們的例子，主要包括：過(guò)程控制制造業(yè)通信、指揮與控制廣義嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.2.1過(guò)程控制考察圖1-1所示的簡(jiǎn)單例子，計(jì)算機(jī)完成單一的活動(dòng)：通過(guò)控制閥門(mén)確保管道中液體的均勻流動(dòng)。當(dāng)檢測(cè)到流量增加時(shí)，計(jì)算機(jī)必須通過(guò)改變閥門(mén)角度給予響應(yīng)，該響應(yīng)必須在一個(gè)有限時(shí)間段里發(fā)生以使管道接收端的設(shè)備不致過(guò)載

4、。注意，實(shí)際響應(yīng)可能涉及復(fù)雜的計(jì)算，以算出新的閥門(mén)角度。1.2實(shí)時(shí)系統(tǒng)的例子計(jì)算機(jī)的作用。此計(jì)算機(jī)同使用傳感器和致動(dòng)器的設(shè)備進(jìn)行交互。閥門(mén)是致動(dòng)器的一個(gè)例子，而溫度和壓力轉(zhuǎn)換器是傳感器的例子。計(jì)算機(jī)控制傳感器和致動(dòng)器的動(dòng)作以確保在當(dāng)時(shí)的時(shí)間執(zhí)行正確的設(shè)備操作。需要時(shí)，要在受控過(guò)程和計(jì)算機(jī)之間插入模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。上面的例子只展示了更大控制系統(tǒng)的一個(gè)部件。圖1-2說(shuō)明了嵌入到一個(gè)完整過(guò)程控制環(huán)境中的實(shí)時(shí)1.2.2制造業(yè)圖1-3圖解說(shuō)明生產(chǎn)控制計(jì)算機(jī)在制造過(guò)程中的作用。實(shí)際系統(tǒng)由諸如機(jī)床、操作裝置和傳送帶等各種機(jī)械

5、裝置組成。它們都需要由計(jì)算機(jī)控制和協(xié)調(diào)。1.2實(shí)時(shí)系統(tǒng)的例子1.2.3通信、指揮與控制圖1-4表示了一個(gè)指揮控制系統(tǒng)。1.2實(shí)時(shí)系統(tǒng)的例子1.2.4廣義嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的外部特性。通常有一個(gè)模塊包含實(shí)際控制這些裝置所必需的算法，一個(gè)模塊負(fù)責(zé)記錄系統(tǒng)狀態(tài)的變化，一個(gè)模塊檢索并顯示這些變化，還有一個(gè)模塊同操作員進(jìn)行交互。一個(gè)典型的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可用圖1-5表示，控制系統(tǒng)操作的軟件可以被編制成若干模塊，它們反映環(huán)境1.2實(shí)時(shí)系統(tǒng)的例子1.3實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特征實(shí)時(shí)系統(tǒng)具有許多特征(固有的或強(qiáng)加的)，以下幾小節(jié)將闡明。顯然

6、，并非所有實(shí)時(shí)系統(tǒng)都具有所有這些特征，然而，用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)有效編程的任何通用語(yǔ)言(和操作系統(tǒng))都必須有支持這些特征的設(shè)施，實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特征有：大且復(fù)雜實(shí)數(shù)處理極其可靠和安全獨(dú)立系統(tǒng)部件的并發(fā)控制1.3.1大且復(fù)雜通常人們認(rèn)為同開(kāi)發(fā)軟件相關(guān)聯(lián)的大多數(shù)問(wèn)題都是同大小和復(fù)雜性有關(guān)的問(wèn)題。編寫(xiě)小程序不出現(xiàn)重大問(wèn)題，因?yàn)樵O(shè)計(jì)、編碼、維護(hù)和理解都由一個(gè)人完成。如果使用這個(gè)軟件的人離開(kāi)了公司或機(jī)構(gòu)，另一個(gè)人能夠在相對(duì)短的時(shí)間里學(xué)會(huì)這個(gè)程序，確實(shí)，有一種構(gòu)建這種程序的藝術(shù)或技巧，而且小就是美。令人遺憾的是，不是所有軟件都有這種理想

7、的“小巧”特征。Lehman和Belady(1985)在試圖描述大系統(tǒng)的特征時(shí)，拒絕了那種認(rèn)為龐大就是同指令數(shù)目、代碼行數(shù)或組成一個(gè)程序的模塊數(shù)目成正比的簡(jiǎn)單而且或許是直觀的概念。他們將龐大同多樣性聯(lián)系起來(lái)，將龐大的程度同多樣性的數(shù)量聯(lián)系起來(lái)，諸如指令數(shù)目和開(kāi)發(fā)工作量這樣的傳統(tǒng)指標(biāo)，就只是多樣性的特征。1.3實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特征1.3.2實(shí)數(shù)處理圖1-6舉例說(shuō)明了一個(gè)反饋控制器，這是最普通的形式，但也使用前饋控制器。為了計(jì)算出如何改變輸入變量向量才能在輸出向量上產(chǎn)生理想效果，該設(shè)備必須有一個(gè)數(shù)學(xué)模型。這些模型的推導(dǎo)屬

8、于另一個(gè)學(xué)科—控制論。設(shè)備的模型常常是一個(gè)一階常微分方程組，這些微分方程建立了系統(tǒng)的輸出同設(shè)備的內(nèi)部狀態(tài)和其輸入變量之間的聯(lián)系。改變?cè)O(shè)備的輸出涉及求解這些微分方程，以得到所需的輸入值。大多數(shù)物理系統(tǒng)都有慣性，所以改變不是瞬時(shí)的。在一個(gè)固定時(shí)間段里使系統(tǒng)移動(dòng)到一個(gè)新的設(shè)置點(diǎn)上的實(shí)時(shí)需求，將增加數(shù)學(xué)模型和物理系統(tǒng)所需處理的復(fù)雜性。1.3實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特征由于這些困難、模型的復(fù)雜性、不同輸入和輸